Приложение А (справочное). Оценка электромагнитных явлений

Приложение А
(справочное)

Оценка электромагнитных явлений

Взаимосвязь между ЭМС и безопасностью требует особого внимания, потому что отказы системы безопасности могут иметь серьезные последствия. Требования электромагнитной совместимости для оборудования и систем, связанных с безопасностью, могут основываться только на тщательном анализе их заинтересованными сторонами. Некоторые стандарты IEC или технические требования и отчеты, например IEC 61508 и IEC 61000-1-2, учитывают аспекты, относящиеся и к ЭМС и к функциональной безопасности, и при этом ссылаются на IEC 61000-2-5.

В соответствии с IEC 61508 целью требований по достижению функциональной безопасности электрических/электронных/программируемых электронных (Е/Е/РЕ) систем является ограничение максимальной вероятности опасного отказа функции безопасности до величины, задаваемой уровнем полноты безопасности (SIL).

Это означает, что Е/Е/РЕ система должна выполнить предназначенную функцию с вероятностью, большей чем значение, определяемое SIL, или, в случае отказа, выполнить определенную функцию реагирования на отказ.

Для достижения этой цели стандарты IEC 61508 предусматривают применение специальных методов и мер по предотвращению отказов или контролированию сбоев, которые могут произойти в процессе эксплуатации системы. Эти требования относятся ко всем возможным источникам возникновения отказов. Стандарты IEC 61508 ссылаются на серию стандартов IEC 61000, относящихся к ЭМС, и требуют разработки спецификации по ЭМС заинтересованными сторонами. Спецификация по ЭМС должна быть основана на IEC 61000-2-5. В IEC 61000-2-5 описаны известные электромагнитные явления для различных электромагнитных обстановок. Выбор соответствующих помех и соответствующих испытательных уровней является обязанностью заинтересованных сторон.

Требования ЭМС для нормальной эксплуатации не распространяются на аспекты безопасности. В то время как требования ЭМС для нормальной эксплуатации, например установленные в IЕС 61000-6-2, направлены на поддержание удовлетворительной работы в нормальных условиях, цель требований безопасности - обеспечение функциональной безопасности оборудования или контролируемого оборудования (EUC).

Классический подход для определения уровней помехоустойчивости в области ЭМС представлен на рисунке А.1 (подробнее см. IEC 61000-1-1 и IЕС 61000-2-5). На рисунке показана плотность вероятности возникновения электромагнитных помех в результате электромагнитной эмиссии отдельных источников, превалирующих при создании уровня электромагнитного помехового фона (левая кривая на рисунке А.1).

Соседняя кривая иллюстрирует устойчивость оборудования к воздействию электромагнитных помех. Уровни помехоустойчивости обычно выражают в виде дискретных численных значений. Тем не менее вероятностная кривая характеризует динамику изменения помехоустойчивости оборудования. Эта кривая отражает тот факт, что зачастую оборудование может иметь более высокий уровень помехоустойчивости, чем требуется (помехоустойчивость проверяют обычно только лишь относительно требуемого уровня, а не за пределами этого уровня), однако накладывается разброс в оценке фактической помехоустойчивости вследствие неопределенности измерений, обусловленной, например, допусками самого оборудования, процессом изготовления оборудования или неопределенностью, связанной с испытательным оборудованием и характеристиками испытаний.

Для количественной оценки такой потенциальной помеховой обстановки введен уровень электромагнитной совместимости, выбираемый в качестве своего рода опорного уровня для описания помех. Уровни совместимости для различных электромагнитных помех приведены, например, в IEC 61000-2-5, и они могут быть использованы в качестве отправной точки для оценки уровня помехоустойчивости. Конечно, их фактические значения существенно зависят от рассматриваемой электромагнитной обстановки. Таким образом, электромагнитная совместимость может быть обеспечена только в том случае, когда уровни электромагнитной эмиссии и помехоустойчивости контролируются таким образом, чтобы в каждой зоне суммарный уровень помех, вызываемый совокупной электромагнитной эмиссией, был существенно ниже уровня помехоустойчивости для каждого устройства, оборудования и системы, расположенных в этой зоне. Следует, однако, отметить, что уровни совместимости могут зависеть от параметров помехи, времени и местоположения.

Из формы кривых на рисунке А.1 можно сделать вывод, что увеличение запаса между уровнями совместимости и помехоустойчивости приводит к снижению вероятности возникновения неблагоприятных помеховых ситуаций и, следовательно, к повышению помехоустойчивости и в итоге к лучшему состоянию ЭМС. Поэтому для большинства рассматриваемых электромагнитных явлений, должны быть использованы более высокие испытательные уровни при испытаниях на помехоустойчивость по сравнению с теми, которые используются в случае нормальной ЭМС.

На практике уровни помехоустойчивости, используемые исключительно для ЭМС, устанавливают таким образом, чтобы потенциальное перекрытие между зоной, показывающей уровни помех, и зоной, показывающей уровни помехоустойчивости, составляло несколько процентов этих областей (обычно 5%, как показано на рисунке А.1). Рассмотренный выше подход представляет собой технико-экономический компромисс, и он допускает

Рисунок А. 1 - Уровни электромагнитной эмиссии/помехоустойчивости и уровень совместимости с примером уровней электромагнитной эмиссии/помехоустойчивости для одиночных эмиттера и рецептора как функции некоторых независимых переменных (см. IEC 61000-1-1)

возможность того, что в некоторых случаях указанные уровни помехоустойчивости будут недостаточно высокими, чтобы избежать влияния помех. Перекрытие 5% не обязательно означает, что влияние помех будет иметь место в 5% установок, использующих эти компоненты. Суммарная вероятность влияния помех лежит, как правило, значительно ниже, что рассмотрено в IЕС 61000-1-1, приложение А 6.

Графики на рисунке А.1 иллюстрируют принципиальный характер изменения вероятности уровней помех и помехоустойчивости, а также взаимное расположение уровней совместимости и помехоустойчивости. Эти графики зависят от параметров помех, времени и/или местоположения. Поэтому априорное знание таких графиков плотности вероятности для какого-либо конкретного электромагнитного явления и конкретной установки не может быть распространено на любое другое электромагнитное явление и другую установку.

Современные знания о таких вероятностных графиках для большинства электромагнитных явлений относительно невелики. Действительно, подробная информация доступна только для нескольких видов электромагнитных явлений (как, например, для защиты от молниевых разрядов и в части импульсов перенапряжения). Но и в этих случаях знания касаются в основном самого явления (в случае ударов молнии - изолинии интенсивности гроз) и почти не касаются напряжений, возникающих в оборудовании вследствие этих явлений.

Даже в случае относительно хорошо изученных вероятностных кривых можно утверждать, что графики плотности вероятности хорошо зарекомендовал и себя в тех зонах, где их значения достигают нескольких процентов или нескольких десятков процентов. Это не может, однако, считаться достаточным с точки зрения вероятностных требований, определяемых на основании уровня полноты безопасности (SIL).

В сфере безопасности специалисты по системам, связанным с безопасностью, должны учитывать вероятности от до опасных отказов в час или вероятность опасного отказа на запрос ниже , что далеко от любых надежных статистических данных как о появлении электромагнитных помех, так и о формировании уровней, связанных с помехами.

Из этих граничных условий можно сделать вывод о том, что в большинстве случаев не представляется возможным найти четкую корреляцию между уровнем электромагнитной совместимости помех в установке и уровнем помехоустойчивости образца оборудования, который будет установлен в систему, связанную с безопасностью.

Единственный практический способ получить соответствующие уровни помехоустойчивости заключается в том, чтобы, принимая во внимание конкретную электромагнитную обстановку, в которой система, связанная с безопасностью, предназначена для использования, определить с помощью технических аргументов уровни помехоустойчивости для функциональной безопасности. В качестве основы для определения требуемой помехоустойчивости могут быть использованы уровни совместимости, приведенные в IEC 61000-2-5.

Предлагаемый подход, учитывающий знания экспертов в области ЭМС и функциональной безопасности, чтобы избежать неблагоприятных технических характеристик в этой области, приведен в таблице А.1 настоящего стандарта. В графе "Другой испытательный уровень для функций ИО, предназначенных для применений безопасности" содержится информация о том, как испытательные уровни для применений безопасности соотносятся с испытательными уровнями при нормальном функционировании. Они определяются путем умножения испытательного уровня при нормальном функционировании (например, по IEC 61326-1 для промышленных зон) на определенный коэффициент или же альтернативно путем применения следующего по порядку более высокого испытательного уровня из набора испытательных уровней, приведенного в соответствующем основополагающем стандарте. В обоих случаях это заключение об испытательных уровнях для функций безопасности получено на основе уровней, приведенных в IЕС 61000-2-5, в сочетании с техническими аргументами.

Таблица А.1 - Примеры рассмотрения электромагнитных явлений и испытательные уровни применительно к функциональной безопасности в промышленных применениях

Электромагнитное явление	Основополагающий стандарт	Другой испытательный уровень для функций ИО, предназначенных для применений безопасности	Комментарии
1 Электростатический разряд	IEC 61000-4-2	Да Частично следующий уровень по IEC 61000-4-2	Уровни должны быть применены в соответствии с электромагнитной обстановкой, указанной в IEC 61000-4-2, к частям оборудования, которые могут быть доступны лицам, не являющимся специалистами, работающими в соответствии с определенными процедурами контроля за электростатическими разрядами
		Нет	Доступ к оборудованию разрешен только соответствующим образом подготовленному персоналу
2 Электромагнитное поле	IEC 61000-4-3	Да Коэффициент 2 - 3	Эти повышенные значения применяют в полосах частот, используемых в основном мобильными передатчиками, за исключением случаев, когда реализованы надежные меры, позволяющие избежать использование вблизи такого оборудования. Частоты ISM применений должны быть приняты во внимание на индивидуальной основе
3 Пачка импульсов	IЕС 61000-4-4	Да Коэффициент 1,5 - 2	-
4 Выброс напряжения	IEC 61000-4-5	Да Коэффициент 1 - 2	Разрешены внешние устройства защиты для достижения требуемой помехоустойчивости
5 Кондуктивная радиочастотная помеха	IEC 61000-4-6	Да Коэффициент 3	Повышенные значения применяются в полосах частот, используемых в основном мобильными передатчиками, за исключением случаев, когда реализованы надежные меры, позволяющие избежать использование вблизи такого оборудования. Частоты ISM применений должны быть приняты во внимание на индивидуальной основе
6 Магнитное поле частоты электропитания	IEC 61000-4-8	Нет	Применение в соответствии с общими исключениями, приведенными в основополагающем стандарте. Запас безопасности, в основном, отсутствует. Запас безопасности может потребоваться в электромагнитной обстановке по IEC 61000-6-5 или аналогичной, например в зоне промышленных переключателей
7 Провалы напряжения	IEC 61000-4-11	Нет	Решение о применении должно быть принято в каждом конкретном случае (провалы напряжения, кратковременные прерывания электропитания, изменения напряжения). Изменения напряжения относят к функциональным аспектам, не связанным с ЭМС
8 Кратковременные прерывания электропитания	IEC 61000-4-11	Нет	Решение о применении должно быть принято в каждом конкретном случае (провалы напряжения, кратковременные прерывания электропитания, изменения напряжения). Изменения напряжения относят к функциональным аспектам не связанным с ЭМС
9 Кондуктивное напряжение общего несимметричного режима	IEC 61000-4-16	Да	"Да" относится только к кратковременным помехам на частоте электропитания. Ограничено номинальным напряжением электропитания
10 Провалы напряжения	IЕС 61000-4-29	Нет	Решение о применении должно быть принято в каждом конкретном случае (провалы напряжения, кратковременные прерывания электропитания, изменения напряжения). Изменения напряжения относят к функциональным аспектам, не связанным с ЭМС
11 Кратковременные прерывания электропитания	IЕС 61000-4-29	Нет	Решение о применении должно быть принято в каждом конкретном случае (провалы напряжения, кратковременные прерывания электропитания, изменения напряжения). Изменения напряжения относят к функциональным аспектам, не связанным с ЭМС